Batteries Lithium : une nouvelle technologie les rend beaucoup plus sûres et 10 fois plus rapides

Les performances des batteries au lithium pourraient être nettement améliorées grâce à cette découverte. Des chercheurs de l'université A&M au Texas ont inventé une nouvelle technologie capable de réduire les risques de surchauffe des batteries au lithium. Avec pour résultat, des temps de recharge bien plus rapides et des risques d'explosion des appareils proches de zéro. 

Ce n'est un secret pour personne. Les batteries au lithium de nos smartphones actuels ont tendance à surchauffer. Dans la plupart des cas, un court-circuit interne provoque la montée en température de la batterie, et par extension de l'appareil. Certains cas tournent malheureusement au drame. En octobre 2019, une adolescente avait perdu la vie après l'explosion de son smartphone pendant la recharge. Un peu plus tard en France, un cinéma toulousain a été contraint d'évacuer ses clients en raison d'un incendie provoqué par un smartphone.

Seulement, les chercheurs de l'université A&M du Texas (États-Unis) semblent avoir trouvé une solution aux multiples problèmes des batteries au lithium. Grâce à l'intégration de nanotubes en carbone dans l'anode (ndlr : l'électrode où le courant entre) d'une batterie au lithium métal, ces scientifiques ont réussi à fabriquer un modèle bien plus sûr et plus rapide que les versions actuelles.

Selon les chercheurs, l'architecture inédite de cette anode permettra d'augmenter considérablement la vitesse de charge. “Cette nouvelle architecture empêche le lithium de s'accumuler à l'extérieur de l'anode, ce qui avec le temps, peut provoquer un contact involontaire entre le contenu des deux compartiments de la batterie, ce qui est l'une des principales causes d'explosion des appareils”, explique Juran Noh, étudiant en sciences des matériaux rattaché au labo du professeur Choongho Yu, à la tête du Département de génie mécanique.

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Première étape : du lithium au métal pur

Il faut procéder à quelques explications avant de poursuivre. Lorsqu'une batterie au lithium se charge et se décharge, les ions de lithium sont transportés dans les deux sens entre la cathode (ndrl : électrode d'où sort le courant) et l'anode. Dans la grande majorité des cas, l'anode est constituée de granite et de cuivre. Seulement l'utilisation de ces matériaux pose un problème.

Il arrive parfois que les ions de lithium ne se déposent pas uniformément à la surface de l'anode, mais forment plutôt des amas. Ces amas, on les appelle des dendrites. Avec le temps, ces dendrites se développent, grossissent, et finissent par percer le matériau qui sépare les deux compartiments de la batterie. Cette brèche provoque alors un court-circuit, et peut mettre le feu à l'appareil.

En outre, la croissance des dendrites affecte significativement les performances des batteries en consommant des ions de lithium, qui de fait ne sont plus disponibles pour générer de l'énergie. Or d'après Juran Noh, l'utilisation d'anode en lithium-métal permet d'obtenir une densité énergétique bien plus élevée, offrant ainsi une capacité 10 fois supérieure à celle d'une batterie conventionnelle.

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Seconde étape : régler le problème des dendrites

Si ces anodes en lithium-métal garantissent certes de meilleures performances, elles sont elles aussi menacées par les dendrites. Pour y mettre un terme, Jurah Noh et ses collaborateurs ont conçu des anodes avec des matériaux ultras légers et hautement conducteurs appelés nanotubes de carbone. Agencés sous la forme d'un échafaudage, ces nanotubes de carbone contiennent des espaces dans lesquels les ions de lithium peuvent se déposer. Pour lier ces ions à la surface de l'anode, les chercheurs ont ajouté des molécules de liaison.

Cependant, les nanotubes de carbone ne se liaient pas correctement aux ions de lithium. Après plusieurs réajustements, les chercheurs ont trouvé la formule miracle. Grâce à l'intégration d'une quantité modérée de molécules de liaison, la formation de dendrites était impossible et la quantité d'ions pouvant se lier à la surface de l'anode était bien plus grande.

Résultat, la capacité de la batterie est démultipliée et les problèmes de surchauffe et de diminution des performances liées aux dendrites ont disparu. “Construire des anodes au lithium métal qui sont sûres et ont une longue durée de vie est un défi scientifique depuis de nombreuses décennies. Les anodes que nous avons développées ont surmonté ces obstacles et constituent une première étape importante vers les applications commerciales des batteries au lithium métal”. 

Source : Texas A&M Today